Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологии и методики демонстраций колебаний и волн различной природы. Учебно-методическое пособие
.pdf
ния луча (чтобы лучше было видно учащимся) и перемещают от линзы к
экрану. Непосредственно за линзой свет разложен в спектр, но по мере
приближения к экрану на листе бумаги появляется белая полоса в центре.
В дальнейшем эта полоса расширяется и спектр полностью исчезает.
Делают вывод, что лучи с различной длиной волны сводятся в одной
области экрана с помощью линзы, причем эта область формируется постепенно.
3. Продемонстрируйте неразложимость в спектр монохроматического
света.
Оборудование: призма из стекла, зеркало, подставка угловая, светофильтры, экран малый (щелевая диафрагма d=0,5 см), лазер, графопроектор, зажимы (2 шт.).
Для проведения эксперимента используют установку опыта 1.
Получают на экране спектр естественного света. Закрывают диафрагму Д1 светофильтром. Комментируют, почему в спектре, наблюдаемом
на экране, осталась только одна составляющая, соответствующая цвету
светофильтра. Повторяют опыт со светофильтрами других цветов. Сопоставляют результаты и делают вывод о том, что светофильтр пропускает
свет в определенном интервале длин волн, а световые волны с другими
длинами поглощаются в его материале.
Примечание. Поглощение света определенных длин волн в жидкостях
можно продемонстрировать, используя окрашенные растворы перманганата калия или йода. Для этого кювету с раствором устанавливают на диафрагму Д1 и проводят опыт в соответствии с вышеприведенными указаниями. Делают необходимые комментарии.
Для демонстрации неразложимости в
спектр монохроматического света можно
использовать лазер.
Вместо плоского зеркала устанавливают
лазер (рис. 28). Направляют луч так, чтобы
он прошел в призме тем же путем, что и свет
графопроектора в опыте 1. Сопоставляют
картину, полученную на экране, с картиной,
полученной при освещении красного светофильтра естественным светом. Делают вывод о неразложимости монохроматического света в спектр.
Рис. 28. Схема демонстра-
ции неразложимости в
спектр монохроматическо-
го излучения
Задание 2. Изучить технику и методику проведения демонстрационных экспериментов по теме «Поляризация света».
3130
1. Продемонстрируйте явление поляризации света.
Оборудование: поляроид (2 шт.), оправа для поляроида (2 шт.), графо-
проектор, зажимы (2 шт.).
Оправы с поляроидами закрепляют горизонтально на стойке, вплотную друг к другу. Проецируют световое пятно на экран с
помощью оптической системы графопроектора — объектива и зеркала, смонтированных на штанге (рис. 29). Для повышения
наглядности эксперимента на поляроиды (по
диаметру) кладут прямые кусочки проволоки вдоль плоскости поляризации. Вращая
верхний, а затем нижний поляроиды, демонстрируют изменение освещенности экрана в
зависимости от взаимного расположения
Рис. 29. Схема демонстра-
ции поляризации света
плоскостей поляризации поляроидов. Вводят понятие «плоскость поляризации».
2. Продемонстрируйте способ исследования напряжений в прозрач-
ных образцах с помощью поляризованного света.
Оборудование: поляроид (2 шт.), образец из оргстекла, оправа для по-
ляроида (2 шт.), графопроектор, зажимы (2 шт.).
Для проведения эксперимента используют установку опыта 1. Настраивают резкость на нижний поляроид. Располагают поляроиды так, чтобы
освещенность экрана была минимальной. Вносят образец в луч над нижним поляроидом и демонстрируют, что картина на экране не изменяется.
Нагружают образец (аккуратно сжимают рукоятки, прикрепленные к пластине из оргстекла). На экране появятся светлые полосы, свидетельствующие о повороте плоскости поляризации в тех зонах, где деформация (и
соответственно, напряжение) максимальна. Рассказывают о применении
поляризованного света в промышленности.
3. Продемонстрируйте явление естественной оптической активности.
Оборудование: поляроид (2 шт.), оправа для поляроида (2 шт.), графопроектор, химический стакан 200 мл, раствор сахара (100 г сахара на 150 мл
воды), зажимы (2 шт.).
Для эксперимента используют установку опыта 1. Располагают поляроиды так, чтобы освещенность экрана была минимальной. На оправу
нижнего поляроида ставят стакан с раствором. На экране появляется свет-
лое пятно. Это означает, что плоскость поляризации излучателя повернулась в растворе сахара на некоторый угол и излучение стало частично
проходить через второй поляроид. Если описанный эффект проявляется не
явно, увеличивают концентрацию сахара в растворе и повторяют эксперимент.
Демонстрируют зависимость угла, на который поворачивается плоскость поляризации в растворе сахара, от длины волны света. Вращают верхний поляроид. Ни в одном из положений поляроида пятно на экране не
исчезает, а приобретает различные оттенки: синий, малиновый, красный.
Объясняют, что если в раствор сахара входит линейно поляризованный
свет, то на выходе из него линейная поляризация для каждой спектральной
составляющей световой волны сохраняется, но в целом она нарушается.
Синий оттенок пятна означает, что верхний поляроид ориентирован так,
что через него проходит только красно-желтая часть спектра, малиновый
оттенок — зеленая, а красно-желтый — сине-фиолетовая.
4. Продемонстрируйте условия поляризации света, отраженного от
диэлектрика.
Оборудование: пластина из стекла, зеркало, поляроид, подставка угловая (2 шт.), оправа для поляроида, лимб, графопроектор, штатив, зажимы
(3 шт.).
Коэффициент отражения света от границы между прозрачными диэлектрическими средами зависит не только от относительного показателя
преломления этих сред и угла падения света, но и от плоскости колебаний
вектора
относительно плоскости, в которой происходят падение и отра-
Е
жение света. Соответствующие зависимости, выраженные математически,
достаточно сложны, поэтому в школе они рассматриваются только в виде
графиков, достоверность которых подтверждается демонстрационным экспериментом.
Из графика (см. рис. 30) следует, что при углах падения до 20° коэффициент отражения практически не зависит от направления поляризации и
неполяризованный свет после отражения от стеклянной пластины остается
неполяризованным. При угле падения, близком к 55—57°, от поверхности
отражается волна только с одним направлением поляризации. При больших углах падения отражаются волны со всеми направлениями колебаний
вектора
, однако для одного из направлений поляризации коэффициент
Е
отражения существенно выше, чем для других. В эксперименте такой характер коэффициентов отражения можно проиллюстрировать результатами измерений при трех значениях угла падения света на поверхность диэлектрика: 10—15°, 55—57° и 70—75°.
3332
R — коэффициент отражения;
i — угол падения света;
R — коэффициент отражения для волны, плоскость колебаний вектора
которой перпендикулярна плоскости
падения луча;
R|| — коэффициент отражения для волны, плоскость колебаний вектора
которой совпадает с плоскостью падения луча;
R0 — коэффициент отражения для неполяризованного света.
Е
Е
Рис. 30. График зависимости коэффициента отражения света от диэлектрика от
направления поляризации отраженного света
Зеркало устанавливают на рабочем поле под углом 45° к направлению
распространения света, направляют луч на экран (рис. 31). На краю оптического столика устанавливают штатив с поляроидом так, чтобы весь свет,
отраженный от зеркала, прошел через поляроид. Вращая поляроид, демонстрируют, что освещенность экрана не меняется, т.е. свет, идущий от
графопроектора, после отражения от плоского зеркала не является поляризованным.
Рис. 31. Схема демонстрации условий
поляризации света, отраженного от
диэлектрика
Рис. 32. Схема демонстрации условий
поляризации света, отраженного от
диэлектрика под углом 10—15°
Устанавливают на рабочем поле прозрачную пластину с лимбом
(рис. 32). Луч направляют на пластину под углом 10—15°. Демонстрируют,
что полученное на экране неяркое пятно при повороте поляроида не меняет интенсивности. С помощью зеркала направляют луч на пластину под
углом 55—57° (см. рис. 33). Демонстрируют, что при вращении поляроида
будет наблюдаться переход от пятна, яркость которого существенно выше,
чем в предыдущем случае, к полному затемнению экрана.
Рис. 33. Схема демонстрации условий
поляризации света, отраженного от
диэлектрика под углом 55—57°
Рис. 34. Схема демонстрации условий
поляризации света, отраженного от
диэлектрика под углом 70—75°
С помощью зеркала направляют луч на пластину под углом 70—75°
(рис. 34). Яркость пятна на экране возрастает. Демонстрируют, что при
вращении поляроида яркость изменяется, но не исчезает. Сопоставляют
результаты эксперимента с графиком на рис. 30. Формулируют условия
поляризации света, отраженного от диэлектрика.
Задание 3. Изучить технику и методику проведения демонстрационных экспериментов по теме «Интерференция света».
1. Продемонстрируйте интерференцию света по схеме с бипризмой
Френеля.
Оборудование: лазер, линза (F=5 см, D=1,5 см), бипризма Френеля,
подставки угловые (3 шт.), зажимы (2 шт.).
Линзу устанавливают так, чтобы лазер находился примерно в ее фокусе (см. рис. 35). Близкий к параллельному луч лазера фокусируется линзой
в одной точке (фокусе), которая моделирует точечный источник света.
Перемещая линзу вдоль луча лазера, добиваются максимально однородного освещения пятна (мелкая структура лазерного луча должна отсутствовать). Если в пятне присутствуют кольцевые структуры, вызванные дифракцией на пылинках, протирают линзу мягкой тканью или сдвигают ее
так, чтобы луч лазера проходил через другую точку.
3534
Бипризму Френеля помещают в луч лазера. При интерференции света от двух точечных источников ширина интерференционных полос обратно пропорциональна расстоянию между ними, поэтому для улучшения восприятия интерференции максимально сближают когерентные источники света
(бипризму максимально симметрично располагают в фокусе линзы). При сближении
Рис. 35. Схема демонстрации
интерференции света
(схема Френеля)
линзы и бипризмы интерференционные полосы расширяются, а потом исчезают. Это
связано с тем, что излучение лазера перестает попадать на плоские грани бипризмы.
2. Продемонстрируйте интерференцию света по схеме с зеркалом Ллой-
да.
Оборудование: лазер, линза (F=5 см, D=1,5 см), зеркало, подставки уг-
ловые (3 шт.), зажимы (2 шт.).
На рабочем поле располагают линзу и
плоское зеркало так, чтобы часть пучка света точечного источника (фокус линзы) попадала на экран непосредственно, а другая
часть — после отражения в зеркале (рис. 36).
Для этого поворачивают рабочую поверхность зеркала вверх, параллельно лучу. Ближний к линзе край зеркала располагают в ее
фокусе. Плавно вдвигают зеркало в луч. На-
Рис. 36. Схема демонстрации
интерференции света
(схема Ллойда)
блюдают появление двух пятен — тени от
зеркала и отражения от него. Плавным поворотом зеркала совмещают эти пятна.
Объясняют полученную интерференционную картину.
3. Продемонстрируйте возникновение колец Ньютона.
Оборудование: прибор «Кольца Ньютона», линза (F=12 см, D=5 см),
оправа для линзы, графопроектор, штатив, зажимы (3 шт.), лазер, дополнительный экран.
Для демонстрации колец Ньютона в естественном свете прибор
«Кольца Ньютона» устанавливают под углом 45° к направлению распространения света, так, чтобы отраженный от прибора свет попадал на нижнюю часть экрана. В пучок отраженного света вносят штатив с собира-
ющей линзой (рис. 37). На экране получают четкую интерференционную
картину, подбирая положение линзы.
Рис. 37. Схема демонстрации колец
Ньютона в естественном свете
Рис. 38. Схема демонстрации колец
Ньютона в монохроматическом свете
Свет, прошедший через прибор, с помощью оптической системы графопроектора направляют на верхнюю часть экрана. Наблюдают полученную интерференционную картину. Сопоставляют интерференционные
картины, полученные в отраженном и проходящем свете. Делают вывод о
порядке чередования темных и светлых полос в отраженном и проходящем
свете и о причинах большей четкости колец, наблюдаемых в отраженном
свете.
Для демонстрации колец Ньютона в монохроматическом свете опти-
ческую схему настраивают, используя указания к опыту 1. Прибор устанавливают под углом 45° к пучку света, вышедшему из линзы. На расстоянии 1 м от прибора устанавливают дополнительный экран Э2 (рис. 38).
Наблюдают кольцевую интерференционную картину на экране Э2 (в отраженном свете) и экране Э1 (в проходящем свете).
Сопоставляют полученные интерференционные картины. Объясняют,
почему интерференционная картина в проходящем свете менее контрастна, чем в отраженном. Делают вывод о порядке чередования темных и
светлых полос в отраженном и проходящем свете.
4. Продемонстрируйте интерференцию в тонких пленках.
Оборудование: лаковая пленка в петле из проволоки, линза (F=12 см,
D=5 см), оправа для линзы, графопроектор, штатив, зажимы (2 шт.).
Используют установку для демонстрации колец Ньютона в естественном свете (опыт 3). Вместо прибора «Кольца Ньютона» устанавливают
проволочную петлю с тонкой лаковой пленкой (она получается при растекании лака по поверхности теплой воды). Поворачивают петлю так, чтобы
отраженный от пленки свет проходил через линзу и падал на экран. Поворачивают рамку на 90° и демонстрируют, что горизонтальное расположе-
3736
ние полос интерференционной картины не случайно и не связано с ориентацией рамки. Объясняют полученную на экране интерференционную
картину.
5. Продемонстрируйте интерференцию монохромного света по схеме
Юнга.
Оборудование: лазер, оправа с двумя щелями (0,03 мм), подставки уг-
ловые (3 шт.), линза (F=5 см, D=1,5 см), штатив, зажимы (2 шт.).
В схеме Юнга свет от точечного источника (фокус линзы) попадает на
две узкие щели. В результате щели освещаются разными участками одной и той же
световой волны. За счет дифракции на щелях световые волны отклоняются от первоначального направления распространения и
в определенной области пространства пере-
Рис. 39. Схема демонстрации
интерференции света
(схема Юнга)
крываются, что приводит к интерференции.
Оптическую схему настраивают, используя
указания к опыту 1.
Оправу с щелями устанавливают в фокусе линзы (рис. 39). Перемещая
оправу вдоль луча, добиваются четкости интерференционной картины.
Объясняют полученный результат.
Задание 4. Изучить технику и методику демонстрационных экспериментов по теме «Дифракция света».
1. Продемонстрируйте дифракцию света на щели.
Оборудование: лазер, оправа с щелью (2 шт.), подставки угловые
(3 шт.), зажимы (2 шт.), линза (F=5 см, D=1,5 см).
Для демонстрации дифракции параллельного пучка монохроматичес-
кого света на щели оправу с щелью шириной 0,3 мм устанавливают на
пути луча лазера (рис. 40). Объясняют дифракционную картину, полученную на экране. Демонстрируют, что дифракционные максимумы и минимумы возникают в плоскости, перпендикулярной направлению щели. Для
этого поворачивают щель на какой-либо угол и показывают соответствующий поворот дифракционной картины (плоскость экрана должна быть
перпендикулярна лучу лазера).
Рис. 40. Схема демонстрации
дифракции параллельного пучка
света на щели
Рис. 41. Схема демонстрации
дифракции расходящегося пучка
света на щели
Устанавливают щель вертикально, а лазер и экран так, чтобы луч падал
на экран под углом 45°. Дифракционная картина становится более удобной для наблюдения, поскольку размеры точек и промежутков между ними
возрастают в 1,5 раза. Измеряют расстояние от центрального пятна до последнего видимого дифракционного максимума, размер максимумов и
расстояние между ними. Вместо щели шириной 0,3 мм устанавливают щель
шириной 0,6 мм. Повторяют эксперимент. Сопоставляют результаты и делают вывод о зависимости дифракционной картины от ширины щели.
Для демонстрации дифракции расходящегося пучка монохромати-
ческого света на щели оптическую схему настраивают, используя указания к опыту 1 в задании 3.
Устанавливают щель шириной 0,3 мм в фокусе линзы (рис. 41). Добиваются максимальной четкости дифракционной картины на экране, перемещая щель вдоль луча. Сопоставляют полученную дифракционную картину с картиной в опыте демонстрации дифракции параллельного пучка
света от щели. Заменяют щель шириной 0,3 мм на щель шириной 0,6 мм.
Комментируют наблюдаемую зависимость дифракционной картины от
ширины щели.
2. Продемонстрируйте дифракцию света на нити.
Оборудование: лазер, оправа с нитью, подставки угловые (3 шт.), зажимы (2 шт.), линза (F=5 см, D=1,5 см).
Рис. 42. Схема демонстрации
дифракции параллельного пучка
света на нити
Рис. 43. Схема демонстрации
дифракции расходящегося пучка
света на нити
Задание выполняют аналогично опыту 1, заменив в оправе щель на
нить. Причем для демонстрации дифракции параллельного пучка моно-
хроматического света на нити собирают установку, схема которой представлена на рис. 42, а для демонстрации дифракции расходящегося пучка
монохроматического света на нити — установку, схема которой представлена на рис. 43.
3. Продемонстрируйте дифракцию света на круглом отверстии.
Оборудование: лазер, оправа с круглым отверстием 0,8 мм, линза
(F=5 см, D=1,5 см), линза (F=12 см, D=5 см), оправа для линзы (2 шт.), подставки угловые (3 шт.), штатив, зажимы (3 шт.).
3938
Рис. 44. Схема демонстрации
дифракции параллельного пучка
света на круглом отверстии
Рис. 45. Схема демонстрации
дифракции расходящегося пучка
света на круглом отверстии
Задание выполняют аналогично опыту 1, заменив в оправе щель на
круглое отверстие. Причем для демонстрации дифракции монохромати-
ческого света на круглом отверстии собирают установку, оптическая
схема которой представлена на рис. 44, а для демонстрации дифракции
расходящегося пучка монохроматического света на круглом отверстии —
установку, схема которой представлена на рис. 45.
Наглядность дифракционной картины можно повысить, если между
экраном и отверстием вставить собирающую линзу F=12 см. Преломление
в линзе с последующей фокусировкой увеличивает углы, под которыми
распространяются лучи света, образующие дифракционные максимумы,
а следовательно, и масштаб дифракционной картины. Однако яркость изображения при этом уменьшается, поскольку энергия света, прошедшего
через отверстие, распределяется по существенно большей площади.
4. Продемонстрируйте с помощью дифракционной решетки разложе-
ние естественного света в спектр.
Оборудование: дифракционные решетки 50 шт./мм (период 0,02 мм) и
150 шт./мм (период 0,0067 мм), оправа для малых оптических элементов,
оправа для линзы, графопроектор, экран малый, зажимы (2 шт.), линейка.
В штатив с помощью оправы для малых
оптических элементов устанавливают дифракционную решетку 50 шт./мм (рис. 46).
Ширину щели Д1 уменьшают до 2—3 мм с
помощью линейки. Поворачивая решетку,
совмещают направление ее штрихов с направлением щелевой диафрагмы и получают на экране горизонтально расположенный
спектр. На 1—2 см ниже дифракционной
решетки устанавливают малый экран (щеле-
Рис. 46. Схема разложения
естественного света в спектр
с помощью дифракционной
решетки
вую диафрагму Д2) параллельно диафрагме
Д1. Четкость изображения на экране регулируют положением объектива графопроектора.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]